引言锂离子电池具有循环寿命长、稳定性好、比能量密度高和无记忆效应等优势[1-2]，通常用作电动汽车的电源。锂离子电池的电化学性能受到工作温度的影响，工作温度的理想范围为20~55 ℃，锂离子电池组内的最大温差应低于5 ℃[3-4]。工作温度会影响电池的性能和寿命[5]。近年来，对动力锂离子电池集成度和能量密度的需求不断提高，亟须寻找电池组紧致空间高效冷却方法。因此，设计基于有效冷却方案的电池热组热管理系统至关重要，以确保电池在安全、高效的温度范围内稳定工作[6-9]。目前，空气冷却[10-12]、液体冷却[13-15]和相变材料(Phase Change Material, PCM)冷却方法应用广泛[16-18]。空气冷却和液体冷却系统均涉及各种辅助部件，如泵、压缩机和管道等，增加了电池能量消耗，使电池组模块结构复杂，总体质量增加[19]，这不利于电动车续驶里程的提高。相变冷却技术利用PCM相变吸收热量[20]，从而为动力电池系统提供相对恒定的温度。近年来，作为缓解电池充放电过程中温度升高和减少温差的创新解决方案，对PCM冷却的研究越来越受到重视[21-24]。以26650型电芯阵列构成的锂离子电池组及嵌入的相变结构体为研究对象，以电池组内的最高温度和最大温差作为评价指标，研究不同环境温度、相变结构体高度和相变温度对电池在一个充放电工作周期内最高温度及最大温差的影响。1电池模块的物理模型及相变结构体设计电池模块和相变结构体模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.F001图1电池模块和相变结构体模型从动力电池组中提取34个26650型电芯组成的电池模块作为分析对象。单体电芯的尺寸为26 mm×65 mm，按照两行17列均匀排布，相邻单元之间的间距为3.5 mm。锂电池电芯参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.T001表1锂电池电芯参数项目数值电芯直径/mm26电芯长度/mm65单芯热容/[J/(g·℃)]1.01单芯重量/g89密度/(kg/m3)2 580.24相变结构体放置在两排电池中间，并向两边各挤压1 mm，相变结构体的尺寸为5.5 mm×65.0 mm×505.0 mm。相变结构体采用铝制壳体填充石蜡构成，石蜡的热物性参数如表2所示。其中，石蜡的相变温度为52.4~54.0 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.T002表2石蜡的热物性参数项目数值密度/(kg/m3)916固体导热系数/[W/(m·K)]0.24液体导热系数/[W/(m·K)]0.14固体比热容/[J/(kg·K)]3 765液体比热容/[J/(kg·K)]2 510相变潜热/(J/kg)146 420动力黏性系数/(Pa·s)0.0052数值模拟方法2.1相变结构体模型采用焓法求解PCM的传热和相变过程，建立相变材料散热的锂电池组的三维瞬态传热数学模型。为了便于分析，对模型进行如下假设：相变材料均匀一致且各向同性，且融化后不流动；符合Boussinesq假设，相变材料密度在相变过程中不发生变化；忽略辐射传热；PCM发生固液相变时，由相变引起的体积变化可以忽略，相变温度为某一区间。ρPCM∂H∂t=λ(∂2H∂x2+∂2H∂y2+∂2H∂z2)+q (1)H=h+∆H (2)h=href+∫TrefTCpdT (3)∆H=βL (4)β=0                                          TTS(T-TS)(Tf-TS)      TS≤T≤Tf1                                           TTf (5)式中：ρPCM——PCM的密度，kg/m3；q——产热量，W/m3；H——PCM的焓值，kJ/kg；h——PCM的显热焓值，kJ/kg；ΔH——PCM的潜热焓值，kJ/kg；β——PCM的液相率；L——PCM的潜热，kJ/kg；href——初始焓值，kJ/kg；Tref——初始时刻的温度，K；Cp——定压比热容，J/(kg·K)；TS——PCM的固相温度点，K；Tf——PCM的液相温度点，K。初始条件为：t=0;T(x,y,z)=T0 (6)换热边界条件为：-λb∂Tb∂n=-λPCM∂TPCM∂n (7)-λ∂T壳∂n=a(T壳-T0) (8)式中：a——空气自然对流换热系数，W/(m2·K)；T0——环境温度，K；n——局部壳体表面法向单位坐标矢量；λb——PCM侧壳体导热系数，W/(m·K)；λ——空气侧壳体导热系数，W/(m·K)；Tb——PCM侧壳体壁面温度，K；λPCM——PCM材料导热系数，W/(m·K)；TPCM——PCM材料温度，K；T壳——空气侧壳体壁面温度，K。2.2相变材料填充量根据能量守恒，电芯散热量等于相变材料吸热量与电池箱体向外界环境散热量之和。Qb=ρVPCMcP(Tmelt-T0)+LρVPCM+zATm-T02t (9)式中：Qb——电芯散热量，W；ρ——PCM密度，kg/m3；VPCM——PCM体积，m3；Tmelt——PCM的相变温度，K；z——自然对流换热系数，W/(m2·K)；A——整个结构与空气接触的散热面积，m2；Tm——电池箱体温度，K。对模型进行六面体网格划分，网格单元数为694 200，节点共计845 730。采用ANSYS Fluent求解器进行求解，电芯表面与周围环境的换热方式为按照自然对流换热计算，对流换热系数为5 W/(m2·K)[25]，初始温度为环境温度。单电芯一个充放电工作周期(72 min)内的平均发热量为0.5 W，电芯固体区采用体积热源形式加载散热量。3模拟结果及分析3.1初始温度对电池温度场的影响研究主要依靠相变材料控制电芯温度，相变材料的相变过程由物性决定并处于特定温度范围，锂电池工作过程中温度跨度较大。设定不同的初始温度，分析锂电池的温度跨度范围与相变结构体散热之间的耦合关系。研究分别设定298.15 K（理想工况）、303.15 K（常规工况）、308.15 K（不利工况）和313.15 K（极端工况）作为锂电池初始温度和工作环境温度。初始温度为298.15 K时电池和相变结构体的温度变化如图2所示。图2初始温度为298.15 K时电池和相变结构体的温度变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.F2a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.F2a2图2(a)~(d)分别为锂离子电池在1 080 s、2 610 s、3 240 s和4 320 s放电结束时的温度云图。相变结构体设计在电芯单侧，另一侧只能依靠对流换热方式与周围空气换热。每个电池单体靠近相变结构体处的温度较低，远离相变结构体及自然对流的电池的中心点处温度较高，这是由于相变结构体嵌入位置的影响，相变材料在相变时吸收了相变结构体附近的热量，导致相变结构体附近电池温度较低。其他3个不同初始温度条件下，锂电池组的温度分布表现出了相同的规律。不同初始温度下电池表面最高温度和最低温度以及温差随时间的变化如图3和图4所示。随着初始温度的升高，锂电池表面温度随之升高。在一个充放电周期后，初始温度为298.15 K、303.15 K和308.15 K时，电池表面最高温度和温差均在设计要求范围内；初始温度为313.15 K时，电池表面最高温度为331.96 K，已经超过328.15 K。环境温度越高，PCM显热消耗越快，在相变温区内才能依靠潜热吸热。在3 500 s时，电池的最低温度达到相变材料的相变温度，3 500 s以后相变材料主要以潜热吸热，导致电池的最低温度上升趋势发生改变。3 500 s以后最低温度上升较慢，而最高温度上升趋势不发生变化，所以电池温差在3 500 s以后越来越大，电池放电结束后的温差超过5 K。环境温度为313.15 K时，PCM结构的散热性能不能满足基本要求。文中结果与杨梦竹[26]分析不同环境温度下电池表面最高和最低温度的变化趋势一致。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.F003图3不同初始温度下电池表面最高温度和最低温度随时间的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.F004图4不同初始温度下电池表面温差随时间的变化3.2相变结构体高度对电池温度的影响相变结构体的质量越大，温控效果越好，但是热管理系统愈加沉重，结构愈加复杂，体积愈加庞大。为了使相变材料达到最佳温控效果，在不改变相变结构体长和宽的情况下，研究相变材料高度对电池最高温度和最大温差的影响。在环境温度为298.15 K和303.15 K时容易满足锂电池工作温度，环境温度选择比较严苛的308.15 K时，相变体结构高度分别选取41 mm、31 mm、21 mm和15 mm，通过模拟找到合适的高度，使锂电池在安全范围内工作。不同相变结构体高度下电池表面的最高温度和最低温度以及温差随时间的变化如图5和图6所示。相变结构体高度分别为41 mm、31 mm、21 mm和15 mm时，最高温度分别为327.85 K、328.22 K、328.63 K和328.93 K。随着相变结构体高度的增加，相变材料可以吸收更多电池产生的热量，抑制电池表面温度的升高，电池的最低温度和最高温度降低。电池之间的最大温差分别为3.85 K、3.98 K、4.17 K和4.33 K。相变结构体高度为41 mm时，初始温度为308.15 K的电池温度在安全范围内。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.F005图5不同相变结构体电池高度下最高温度和最低温度随时间的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.F006图6不同相变结构体高度下电池表面温差随时间的变化3.3极端工况下相变材料温度对电池的温度影响初始温度为313.15 K、相变结构体尺寸为5.5 mm×65.0 mm×505.0 mm并不能满足锂电池在安全范围内工作，需要充分利用箱体空隙，控制电池组的最高温度和最大温差。将PCM填充在电池和电池箱体空隙，相变材料的相变温度为52.4~54.0 ℃时。通过模拟可知，电池组最大温差为5.22 K，不能满足锂电池散热要求。可通过改变相变材料的相变温度，进而改变相变材料对锂电池散热的影响。将PCM填充在电池和电池箱体空隙，材料相变区间分别选取50~53 ℃、46~50 ℃、42~44 ℃和30~35 ℃。不同相变温度下电池的温度如表3所示。相变温度存在最佳值使得电池组的最大温差在安全范围内。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.015.T003表3不同相变温度下电池的温度相变温度/℃最高温度最低温度温差50~53326.18321.095.0946~50324.23320.243.9842~44320.64316.823.8230~35328.10322.625.48K4结语在动力电池组阵列内嵌入相变结构体，作为电池组冷却系统。对不同工作温度下动力锂电池组热环境的数值进行模拟，比较初始温度、相变结构体高度和相变材料的热物性参数对电池表面温度的影响。相变结构体高度对冷却性能有明显影响，初始温度为308.15 K时，高度为41 mm的相变结构体能够使电池最大温度低于328.15 K，最大温差低于5 K；极端温度313.15 K时，利用相变材料填满锂电芯与电池箱体之间的空隙，改变相变材料的相变温区以控制电池最大温度和温差在安全范围内。